Vortrag zum Thema Lichtwellenleiter. von Stanislaw Nickel. Universität Bielefeld Proseminar SS 2010

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1 Vortrag zum Thema Lichtwellenleiter von Stanislaw Nickel Universität Bielefeld Proseminar SS 2010

2 Inhalt 1. Motivation und Geschichte 2. Physikalische Grundlagen 2.1 Arten und Aufbau 2.2 Wellenoptische Behandlung 3. Verluste 4. Herstellung 5. Anwendung 5.1 Sensoren

3 1.Motivation und Geschichte Handzeichen, Winken, Feuer und Rauchzeichen waren und sind elementare Verständigungsmittel Übertragung ist sehr von äußeren Umständen abhängig Die ersten staatlichen optischen Telegraphen gab es 1791 in Frankreich Später hatte das aufgebaute Netz eine Gesamtlänge von 4800km

4 1.Motivation und Geschichte

5 1.Motivation und Geschichte Elektrische Telegrafie setze sich um 1860 durch, da diese weniger störanfällig war Ersten "Glasfaser" wurden um 1900 eingeführt; Die damals bekannten transparenten Materialien hatten einen zu hohen Dämpfungsgrad 1966 macht Charles K. Kao eine Vorhersage, die ihm 2009 den Nobelpreis einbrachte.

6 1.Motivation und Geschichte Die starke Dämpfung, die um diese Zeit bei etwa 1000dB/km lag, ist keine intrinsische Eigenschaft der Gläser Seiner Rechnung zur Folge sei die Dämpfung auf 20dB/km reduzierbar Innerhalb von 10 Jahren intensiver Forschung wurden Verfahren entwickelt, mit denen es möglich wurde chemisch hoch reines Quarzglas herstellen zu können

7 1.Motivation und Geschichte Charles K. Kao Willard S. Boyle George E. Smith

8 1.Motivation und Geschichte Heute ist ein Dämpfungsgrad von 0,2 db/km erreicht Glasfaser werden heute nahezu überall eingesetzt Bieten zur elektrischen Datenübertragung viele Vorteile: Ausgangsmaterial billig Arbeitskosten gering, da Produktion automatisiert.

9 2. Physikalische Grundlagen

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11 2.1 Aufbau und Eigenschaften kostengünstig Einsatz im Nahbereich höhere Übertragungskapazität

12 2.1 Aufbau und Eigenschaften Snellius'sche Gesetze: n L sin =nk sin n K sin =n M sin max =arcsin n n 2 K 2 M

13 2. Physikalische Grundlagen numerische Apertur NA als Maß für die Auflösung NA= n K n M 2 2

14 2.1 Aufbau und Eigenschaften Strahlen haben Laufzeitunterschiede Destruktive Interferenz: Modendispersion

15 2.1 Aufbau und Eigenschaften "Scharfe" Signale bei Telefonie wichtig

16 2.1 Aufbau und Eigenschaften Geometrische Optik unzureichend um Propagation des Lichtes zu beschreiben Wellenoptik erklärt die Phänomene die bisher ungelöst blieben

17 2.2 Wellenoptische Behandlung Maxwell-Gleichungen = D B =0 D = H J t B E = t

18 2.2 Wellenoptische Behandlung Vereinfachungen: =0 J =0 =0 M Es gibt keine freien Ladungen Es gibt keine Ströme Es gibt keine Magnetisierung Allgemeine Lösung der Wellengleichung: =C K J M ur / a cos m phi 0 : r a =C M J M wr / a cos m phi 0 : r a

19 2.2 Wellenoptische Behandlung

20 2.2 Wellenoptische Behandlung Die Lösungen der Wellegleichung sind die Nullstellen der Besselschen Differenzialgleichungen:

21 2.2 Wellenoptische Behandlung Die x-achse beschreibt eine Konstante die die Eigenschaft der Faser beschreibt: Diese Größe heißt "normierte Frequenz" oder V-Zahl V = a n K n M 0 Um Verluste minimal zu halten versucht man V unter 2,405 zu halten

22 3. Verluste Verluste durch Verunreinigungen sind heute nahezu eliminiert Die Grenze der Verluste ist durch 3 fundamentale Einflüsse gegeben: 1. Materialresonanzen im Ultravioletten an elektrischen Übergängen 2. Materialresonanzen im Infraroten durch Molekülschwingungen 3. Rayleighstreuung aufgrund der statistischen Struktur des Glases

23 3.Verluste

24 4. Herstellung der Preform Glas und Dotierung wird auf einen Stab aus Aluminiumoxid gedampft; Stab wird herausgezogen Durch erhitzen "kollabiert" die Preform zu einem massiven Stab

25 4. Herstellung Ziehen der Faser aus der Preform: Innerhalb von 1,5 Stunden lassen sich so 40km Faser herstellen

26 4.1 Bauelemente Damit Glasfaser dauerhaft benutzt werden können, müssen sie vor Umwelteinflüssen geschützt werden

27 4.1 Bauelemente Als Lichtquelle werden meist LEDs(bei kurzen Stecken) oder Laserdioden verwendet Laserdioden strahlen kohärentes Licht ab, welches einfacher einzukoppeln ist.

28 4.1 Bauelemente Etwa alle 40 km muss das Signal verstärkt werden Dies geschieht durch optische Verstärker, die das Signal nicht erst in ein elektrischen Umwandeln müssen Die Verstärkung beruht auf der stimulierte Emission, die durch das zu verstärkende Signal hervorgerufen wird

29 5. Anwendung Glasfaserkabel sind in der Telekommunikation Standard Das letzte transatlantische Kabel TAT-14 wurde 2001 verlegt Es kostete 1,5 Milliarden US$ und führt von Deutschland bis in die USA Die Übertragungskapazität von 64 x10 Gbit/s (entspricht 8 Millionen Telefonaten), wird bis heute nicht völlig ausgeschöpft

30 5. Anwendung

31 5. Anwendung Spezielle Glasfaser können dazu eingesetzt werden Licht von Hochleistungslaser zu führen In der Medizin kann man daher zuvor unerreichbare stellen erreichen ohne Schnitte setzen zu müssen

32 6. Sensoren Sensoren können direkt in die Glasfaser integriert werden, wodurch mehrdimensionale Messungen möglich sind Druck, Temperatur, Abstand, Kraft, also praktisch fast alle physikalische(immer mehr chemische) Größen messbar Es wird keine elektrische Spannung mehr benötigt: keine Brandgefahr mehr (z.b. bei Pipelines) Glasfaser sind billiger und deutlich leichter: Einsatz im Flugzeugen oder gar Raumfahrzeugen

33 6. Sensoren

34 6. Sensoren Faser und Sensoren sind chemisch Beständig und fast gegen jegliche Störungen immun z. B. elektromagnetische Felder Messungen sind unter extremen Bedingungen durchführbar: Außerhalb eines Flugzeugs oder in einer Mikrowelle Funktionsweise: Messung von Wellenlänge, Phase, Amplitude, Polarisation

35 Quellen Fedor Mitschke: Glasfaser, Physik und Technologie

36 Fragen?

37 Danke für die Aufmerksamkeit!